Технология FDDI

Технология FDDI

История создания стандарта FDDI

Технология Fiber Distributed Data Interface - первая технология локальных сетей, которая использовала в качестве среды передачи данных оптоволоконный кабель.

Попытки применения света в качестве среды, несущей информацию, предпринимались давно - еще в 1880 году Александр Белл запатентовал устройство, которое передавало речь на расстояние до 200 метров с помощью зеркала, вибрировавшего синхронно со звуковыми волнами и модулировавшего отраженный свет.

Работы по использованию света для передачи информации активизировались в 1960-е годы в связи с изобретением лазера, который мог обеспечить модуляцию света на очень высоких частотах, то есть создать широкополосный канал для передачи большого количества информации с высокой скоростью. Примерно в то же время появились оптические волокна, которые могли передавать свет в кабельных системах, подобно тому как медные провода передают электрические сигналы в традиционных кабелях. Однако потери света в этих волокнах были слишком велики, чтобы они могли быть использованы как альтернатива медным жилам. Недорогие оптические волокна, обеспечивающие низкие потери мощности светового сигнала и широкую полосу пропускания (до нескольких ГГц) появились только в 1970-е годы. В начале 1980-х годов началось промышленная установка и эксплуатация оптоволоконных каналов связи для территориальных телекоммуникационных систем.

В 1980-е годы начались также работы по созданию стандартных технологий и устройств для использования оптоволокнных каналов в локальных сетях. Работы по обобщению опыта и разработке первого оптоволоконного стандарта для локальных сетей были сосредоточены в Американском Национальном Институте по Стандартизации - ANSI, в рамках созданного для этой цели комитета X3T9.5.

Начальные версии различных составляющих частей стандарта FDDI были разработаны комитетом Х3Т9.5 в 1986 - 1988 годах, и тогда же появилось первое оборудование - сетевые адаптеры, концентраторы, мосты и маршрутизаторы, поддерживающие этот стандарт.

В настоящее время большинство сетевых технологий поддерживают оптоволоконные кабели в качестве одного из вариантов физического уровня, но FDDI остается наиболее отработанной высокоскоростной технологией, стандарты на которую прошли проверку временем и устоялись, так что оборудование различных производителей показывает хорошую степень совместимости

Основы технологии FDDI

Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring, развивая и совершенствуя ее основные идеи. Разработчики технологии FDDI ставили перед собой в качестве наиболее приоритетных следующие цели:

• Повысить битовую скорость передачи данных до 100 Мб/с;

• Повысить отказоустойчивость сети за счет стандартных процедур восстановления ее после отказов различного рода - повреждения кабеля, некорректной работы узла, концентратора, возникновения высокого уровня помех на линии и т.п.;

• Максимально эффективно использовать потенциальную пропускную способность сети как для асинхронного, так и для синхронного трафиков.

Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Использование двух колец - это основной способ повышения отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят им воспользоваться, должны быть подключены к обоим кольцам. В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участки кабеля первичного (Primary) кольца, поэтому этот режим назван режимом Thru - "сквозным" или "транзитным". Вторичное кольцо (Secondary) в этом режиме не используется.

В случае какого-либо вида отказа, когда часть первичного кольца не может передавать данные (например, обрыв кабеля или отказ узла), первичное кольцо объединяется со вторичным (рисунок 2.1), образуя вновь единое кольцо. Этот режим работы сети называется Wrap, то есть "свертывание" или "сворачивание" колец. Операция свертывания производится силами концентраторов и/или сетевых адаптеров FDDI. Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегда передаются против часовой стрелки, а по вторичному - по часовой. Поэтому при образовании общего кольца из двух колец передатчики станций по-прежнему остаются подключенными к приемникам соседних станций, что позволяет правильно передавать и принимать информацию соседними станциями.

В стандартах FDDI отводится много внимания различным процедурам, которые позволяют определить наличие отказа в сети, а затем произвести необходимую реконфигурацию. Сеть FDDI может полностью восстанавливать свою работоспособность в случае единичных отказов ее элементов. При множественных отказах сеть распадается на несколько не связанных сетей.

Рис. 2.1. Реконфигурация колец FDDI при отказе

Кольца в сетях FDDI рассматриваются как общая разделяемая среда передачи данных, поэтому для нее определен специальный метод доступа. Этот метод очень близок к методу доступа сетей Token Ring и также называется методом маркерного (или токенного) кольца - token ring (рисунок 2.2, а).

Станция может начать передачу своих собственных кадров данных только в том случае, если она получила от предыдущей станции специальный кадр - токен доступа (рисунок 2.2, б). После этого она может передавать свои кадры, если они у нее имеются, в течение времени, называемого временем удержания токена - Token Holding Time (THT). После истечения времени THT станция обязана завершить передачу своего очередного кадра и передать токен доступа следующей станции. Если же в момент принятия токена у станции нет кадров для передачи по сети, то она немедленно транслирует токен следующей станции. В сети FDDI у каждой станции есть предшествующий сосед (upstream neighbor) и последующий сосед (downstream neighbor), определяемые ее физическими связями и направлением передачи информации.

Рис. 2.2. Обработка кадров станциями кольца FDDI

Каждая станция в сети постоянно принимает передаваемые ей предшествующим соседом кадры и анализирует их адрес назначения. Если адрес назначения не совпадает с ее собственным, то она транслирует кадр своему последующему соседу. Этот случай приведен на рисунке (рисунок 2.2, в). Нужно отметить, что, если станция захватила токен и передает свои собственные кадры, то на протяжении этого периода времени она не транслирует приходящие кадры, а удаляет их из сети.

Если же адрес кадра совпадает с адресом станции, то она копирует кадр в свой внутренний буфер, проверяет его корректность (в основном по контрольной сумме), передает его поле данных для последующей обработки протоколу лежащего выше над FDDI уровня (например, IP), а затем передает исходный кадр по сети последующей станции (рисунок 2.2, г). В передаваемом в сеть кадре станция назначения отмечает три признака: распознавания адреса, копирования кадра и отсутствия или наличия в нем ошибок.

После этого кадр продолжает путешествовать по сети, транслируясь каждым узлом. Станция, являющаяся источником кадра для сети, ответственна за то, чтобы удалить кадр из сети, после того, как он, совершив полный оборот, вновь дойдет до нее (рисунок 2.2, д). При этом исходная станция проверяет признаки кадра, дошел ли он до станции назначения и не был ли при этом поврежден. Процесс восстановления информационных кадров не входит в обязанности протокола FDDI, этим должны заниматься протоколы более высоких уровней.

На рисунке 2.3 приведена структура протоколов технологии FDDI в сравнении с семиуровневой моделью OSI. FDDI определяет протокол физического уровня и протокол подуровня доступа к среде (MAC) канального уровня. Как и многие другие технологии локальных сетей, технология FDDI использует протокол 802.2 подуровня управления каналом данных (LLC), определенный в стандартах IEEE 802.2 и ISO 8802.2. FDDI использует первый тип процедур LLC, при котором узлы работают в дейтаграммном режиме - без установления соединений и без восстановления потерянных или поврежденных кадров.

Рис. 2.3. Структура протоколов технологии FDDI

Физический уровень разделен на два подуровня: независимый от среды подуровень PHY (Physical), и зависящий от среды подуровень PMD (Physical Media Dependent). Работу всех уровней контролирует протокол управления станцией SMT (Station Management).

Уровень PMD обеспечивает необходимые средства для передачи данных от одной станции к другой по оптоволокну. В его спецификации определяются:

• Требования к мощности оптических сигналов и к многомодовому оптоволоконному кабелю 62.5/125 мкм;

• Требования к оптическим обходным переключателям (optical bypass switches) и оптическим приемопередатчикам;

• Параметры оптических разъемов MIC (Media Interface Connector), их маркировка;

• Длина волны в 1300 нанометров, на которой работают приемопередатчики;

• Представление сигналов в оптических волокнах в соответствии с методом NRZI.

Спецификация TP-PMD определяет возможность передачи данных между станциями по витой паре в соответствии с методом MLT-3. Спецификации уровней PMD и TP-PMD уже были рассмотрены в разделах, посвященных технологии Fast Ethernet.

Уровень PHY выполняет кодирование и декодирование данных, циркулирующих между MAC-уровнем и уровнем PMD, а также обеспечивает тактирование информационных сигналов. В его спецификации определяются:

• кодирование информации в соответствии со схемой 4B/5B;

• правила тактирования сигналов;

• требования к стабильности тактовой частоты 125 МГц;

• правила преобразования информации из параллельной формы в последовательную.

Уровень MAC ответственен за управление доступом к сети, а также за прием и обработку кадров данных. В нем определены следующие параметры:

• Протокол передачи токена;

• Правила захвата и ретрансляции токена;

• Формирование кадра;

• Правила генерации и распознавания адресов;

• Правила вычисления и проверки 32-разрядной контрольной суммы.

Уровень SMT выполняет все функции по управлению и мониторингу всех остальных уровней стека протоколов FDDI. В управлении кольцом принимает участие каждый узел сети FDDI. Поэтому все узлы обмениваются специальными кадрами SMT для управления сетью. В спецификации SMT определено следующее:

• Алгоритмы обнаружения ошибок и восстановления после сбоев;

• Правила мониторинга работы кольца и станций;

• Управление кольцом;

• Процедуры инициализации кольца.

Отказоустойчивость сетей FDDI обеспечивается за счет управления уровнем SMT другими уровнями: с помощью уровня PHY устраняются отказы сети по физическим причинам, например, из-за обрыва кабеля, а с помощью уровня MAC - логические отказы сети, например, потеря нужного внутреннего пути передачи токена и кадров данных между портами концентратора.

В следующей таблице представлены результаты сравнения технологии FDDI с технологиями Ethernet и Token Ring.

Типы узлов и правила их соединения в сеть

Все станции в сети FDDI делятся на несколько типов по следующим признакам:

• конечные станции или концентраторы;

• по варианту присоединения к первичному и вторичному кольцам;

• по количеству MAC-узлов и, соответственно, MAC-адресов у одной станции.

Одиночное и двойное присоединение к сети

Если станция присоединена только к первичному кольцу, то такой вариант называется одиночным присоединением - Single Attachment, SA (рисунок 2.4, а). Если же станция присоединена и к первичному, и ко вторичному кольцам, то такой вариант называется двойным присоединением - Dual Attachment, DA (рисунок 2.4, б).

Рис. 2.4. Одиночное (SA) и двойное (DA) подключение станций

Очевидно, что станция может использовать свойства отказоустойчивости, обеспечиваемые наличием двух колец FDDI, только при ее двойном подключении.

Рис. 2.5. Реконфигурация станций с двойным подключением при обрыве кабеля

Как видно из рисунка 2.5, реакция станций на обрыв кабеля заключается в изменении внутренних путей передачи информации между отдельными компонентами станции.

Количество MAC-узлов у станции

Для того, чтобы иметь возможность передавать собственные данные в кольцо (а не просто ретранслировать данные соседних станций), станция должна иметь в своем составе хотя бы один MAC-узел, который имеет свой уникальный MAC-адрес. Станции могут не иметь ни одного узла MAC, и, значит, участвовать только в ретрансляции чужих кадров. Но обычно все станции сети FDDI, даже концентраторы, имеют хотя бы один MAC. Концентраторы используют MAC-узел для захвата и генерации служебных кадров, например, кадров инициализации кольца, кадров поиска неисправности в кольце и т.п.

Станции, которые имеют один MAC-узел, называются SM (Single MAC) станциями, а станции, которые имеют два MAC-узла, называются DM (Dual MAC) станциями.

Возможны следующие комбинации типов присоединения и количества MAC-узлов:

В зависимости от того, является ли станция концентратором или конечной станцией, приняты следующие обозначения в зависимости от типа их подключения:

SAS (Single Attachment Station) - конечная станция с одиночным подключением,

DAS (Dual Attachment Station) - конечная станция с двойным подключением,

SAC (Single Attachment Concentrator) - концентратор с одиночным подключением,

DAC (Dual Attachment Concentrator) - концентратор с двойным подключением.

Типы портов станций и концентраторов FDDI и правила их соединения

В стандарте FDDI описаны четыре типа портов, которые отличаются своим назначением и возможностями соединения друг с другом для образования корректных конфигураций сетей.

На рисунке 2.6 показано типичное использование портов разных типов для подключения станций SAS и DAS к концентратору DAC.

Рис. 2.6. Использование портов различных типов

Соединение портов S - S является допустимым, так как создает изолированное первичное кольцо, соединяющее только две станции, но обычно неиспользуемым.

Соединение портов M - M является запрещенным, а соединения A-A, B-B, A-S, S-A, B-S, S-B - нежелательными, так как создают неэффективные комбинации колец.

Соединение Dual Homing

Соединения типа A-M и B-M соответствуют случаю, так называемого, Dual Homing подключения, когда устройство с возможностью двойного подключения, то есть с портами A и B, использует их для двух подключений к первичному кольцу через порты M другого устройства.

Такое подключение показано на рисунке 2.7.

На нем два концентратора, DAC4 и DAC5, подключены к концентраторам DAC1, DAC2 и DAC3 по схеме Dual Homing.

Концентраторы DAC1, DAC2 и DAC3 подключены обычным способом к обеим кольцам, образуя корневую магистраль сети FDDI. Обычно такие концентраторы называют в англоязычной литературе rooted concentrators.

Концентраторы DAC4 и DAC5 подключены по древовидной схеме. Ее можно было бы образовать и с помощью концентраторов SAC4 и SAC5, которые бы в этом случае подключались бы к М-порту корневых концентраторов с помощью порта S.

Подключение DAC-концентраторов по древовидной схеме, но с использованием Dual Homing, позволяет повысить отказоустойчивость сети, и сохранить преимущества древовидной многоуровневой структуры.

Рис. 2.7. Соединение Dual Homing

Концентратор DAC4 подключен по классической схеме Dual Homing. Эта схема рассчитана на наличие у такого концентратора только одного MAC-узла. При подключении портов A и B концентратора DAC4 к портам М концентратора DAC1 между этими портами устанавливается физическое соединение, которое постоянно контролируется физическим уровнем PHY. Однако, в активное состояние по отношению к потоку кадров по сети переводится только порт B, а порт A остается в резервном логическом состоянии. Предпочтение, отдаваемое по умолчанию порту В, определено в стандарте FDDI.

При некорректной работе физического соединения по порту B концентратор DAC4 переводит его в резервное состояние, а активным становится порт А. После этого порт В постоянно проверяет физическое состояние его линии связи, и, если оно восстановилось, то он снова становится активным.

Концентратор DAC5 также включен в есть по схеме Dual Homing, но с более полными функциональными возможностями по контролю соединения резервного порта А. Концентратор DAC5 имеет два узла MAC, поэтому не только порт В работает в активном режиме в первичном кольце, передавая кадры первичному MAC-узлу от порта М концентратора DAC3, но и порт А также находится в активном состоянии, принимая кадры от того же первичного кольца, но от порта М концентратора DAC2. Это позволяет вторичному MAC-узлу постоянно отслеживать логическое состояние резервной связи.

Необходимо заметить, что устройства, поддерживающие режим Dual Homing, могут быть реализованы несколькими различными способами, поэтому может наблюдаться несовместимость этих режимов у различных производителей.

Присоединение станции к "блуждающему" MAC-узлу

Когда новая станция включается в сеть FDDI, то сеть на время приостанавливает свою работу, проходя через процесс инициализации кольца, в течение которого между всеми станциями согласуются основные параметры кольца, самым важным из которых является номинальное время оборота токена по кольцу. Этой процедуры в некоторых случаях можно избежать. Примером такого случая является подключение новой станции SAS к порту М концентратора с так называемым "блуждающим" узлом MAC (Roving MAC), который также называют локальным MAC-узлом.

Пример такого подключения показан на рисунке 2.8.

Рис. 2.8. Присоединение станции к "блуждающему" MAC-узлу

Концентратор DM/DAC1 имеет два MAC-узла: один участвует в нормальной работе первичного кольца, а второй, локальный, присоединен к пути, соединяющему порт M со станцией SAS3. Этот путь образует изолированное кольцо и используется для локальной проверки работоспособности и параметров станции SAS3. Если он работоспособен и его параметры не требуют реинициализации основной сети, то станция SAS3 включается в работу первичного кольца "плавно" (smooth-insertion).

Подключение станций с помощью оптических обходных переключателей (Optical Bypass Switch)

Факт отключения питания станции с одиночным подключением будет сразу же замечен средствами физического уровня, обслуживающими соответствующий М-порт концентратора, и этот порт по команде уровня SMT концентратора будет обойден по внутреннему пути прохождения данных через концентратор. На дальнейшую отказоустойчивость сети этот факт никакого влияния не окажет (рисунок 2.9).

Рис. 2.9. Оптический обходной переключатель (Optical Bypass Switch)

Если же отключить питание у станции DAS или концентратора DAC, то сеть, хотя и продолжит работу, перейдя в состояние Wrap, но запас отказоустойчивости будет утерян, что нежелательно. Поэтому для устройств с двойным подключением рекомендуется использовать оптические обходные переключатели - Optical Bypass Switch, которые позволяют закоротить входные и выходные оптические волокна и обойти станцию в случае ее выключения. Оптический обходной переключатель питается от станции и состоит в простейшем случае из отражающих зеркал или подвижного оптоволокна. При отключенном питании такой переключатель обходит станцию, а при включении ее питания соединяет входы портов А и В с внутренними схемами PHY станции.

Спецификация зависящего от среды физического подуровня PMD

Структура физического соединения

Рассмотрим физический подуровень PMD (Physical Media Dependent layer), определенный в стандарте FDDI для оптоволокна - Fiber PMD.

Эта спецификация определяет аппаратные компоненты для создания физических соединений между станциями: оптические передатчики, оптические приемники, параметры кабеля, оптические разъемы. Для каждого из этих элементов указываются конструктивные и оптические параметры, позволяющие станциям устойчиво взаимодействовать на определенных расстояниях.

Физическое соединение - основной строительный блок сети FDDI. Типичная структура физического соединения представлена на рисунке 2.10.

Рис. 2.10. Физическое соединение сети FDDI

Каждое физическое соединение состоит из двух физических связей - первичной и вторичной. Эти связи являются односторонними - данные передаются от передатчика одного устройства PHY к приемнику другого устройства PHY.

Требования к мощности оптических сигналов

В стандарте Fiber PMD в явном виде не определены предельные расстояния между парой взаимодействующих устройств по одному физическому соединению.

Вместо этого в стандарте определен максимальный уровень потерь мощности оптического сигнала между двумя станциями, взаимодействующими по одной физической связи. Этот уровень равен -11 dB, где

dB = 10 log P₂/P₁,

причем P₁ - это мощность сигнала на станции-передатчике, а P₂ - мощность сигнала на входе станции-приемника. Так как мощность по мере передачи сигнала по кабелю уменьшается, то затухание получается отрицательным.

В соответствии с принятыми в стандарте Fiber PMD параметрами затухания кабеля и выпускаемыми промышленностью соединителями, считается, что для обеспечения затухания -11 dB длина оптического кабеля между соседними узлами не должна превышать 2 км.

Более точно можно рассчитать корректность физического соединения между узлами, если принять во внимание точные характеристики затухания, вносимые кабелем, разъемами, спайками кабеля, а также мощность передатчика и чувствительность приемника.

Стандарт Fiber PMD определяет следующие предельные значения параметров элементов физического соединения (называемые FDDI Power Budget):

Абсолютные значения мощности оптических сигналов (для выхода передатчика и для входа приемника) измеряются в децибелах по отношению к стандартной мощности в 1 милливатт (mW) и обозначаются как dBm:

dBm = 10 log P/1,

где мощность Р также измерена в милливаттах.

Из значений таблицы видно, что максимальные потери между станциями в -11 dB соответствуют наихудшему сочетанию предельных значений мощности передатчика (- 20 dBm) и приемника (- 31 dBm).

Кабели и разъемы

Основной вид кабеля для стандарта Fiber PMD - многомодовый кабель с диаметром сердечника 62.5 мкм и диаметром отражающей оболочки 125 мкм. Спецификация Fiber PMD не определяет требования к затуханию кабеля в dB на км, а только требует соблюдения требования по общему затуханию в -11 dB между станциями, соединенными кабелем и разъемами. Полоса пропускания кабеля должна быть не хуже чем 500 МГц на км.

Кроме основного вида кабеля, спецификация Fiber PMD допускает использование многомодовых кабелей с диаметром сердечника в 50 мкм, 85 мкм и 100 мкм.

В качестве разъемов стандарт Fiber PMD определяет оптические разъемы MIC (Media Interface Connector). Разъем MIC обеспечивает подключение 2-х волокон кабеля, соединенных с вилкой MIC, к 2-м волокнам порта станции, соединенными с розеткой MIC. Стандартизованы только конструктивные параметры розетки MIC, а любые вилки MIC, подходящие к стандартным розеткам MIC, считаются пригодными к использованию.

Спецификация Fiber PMD не определяет уровень потерь в разъеме MIC. Этот уровень - дело производителя, главное, чтобы выдерживался допустимый уровень потерь -11 dB во всем физическом соединении.

Разъемы MIC должны иметь ключ, обозначающий тип порта, что должно предотвратить неверное соединение разъемов. Определено четыре различных типа ключа:

• MIC A;

• MIC B;

• MIC M;

• MIC S.

Виды ключа для этих типов разъемов приведены на рисунке 2.11.

Рис. 2.11. Ключи разъемов MIC

Кроме разъемов MIC, допускается использовать разъемы ST и SC, выпускаемые промышленностью.

В качестве источника света допускается использование светодиодов (LED) или лазерных диодов с длиной волны 1.3 мкм.

Кроме многомодового кабеля, допускается использование более качественного одномодового кабеля (Single Mode Fiber, SMF) и разъемов SMF-MIC для этого кабеля. В этом случае дальность физического соединения между соседними узлами может увеличиться до 40 км - 60 км, в зависимости от качества кабеля, разъемов и соединений. Требования, определенные в спецификации SMF-PMD, для мощности на выходе передатчика и входе приемника, те же, что и для одномодового кабеля.

Функция определения сигнала уровня PMD

Спецификация на Fiber PMD требует от этого уровня выполнения функции Signal_Detect по определению факта наличия оптических сигналов на входе физического соединения станции. Этот сигнал передается на уровень PHY, где используется функцией определения статуса линии Line State Detect (рисунок 2.12).

Уровень PMD генерирует для PHY признак присутствия оптического сигнала Signal_Detect, если мощность входного сигнала превышает -43.5 dBm, а снимает его при уменьшении этой мощности до -45 dBm и ниже. Таким образом, имеется гистерезис в 1.5 dBm для предотвращения частых изменений статуса линии при колебании входной мощности сигнала около -45 dBm.

Рис. 2.12. Функция определения сигнала на входе PMD